Ультразвуковые измерения уровня реферат

Обновлено: 07.07.2024

Общие сведения. В акустических и ультразвуковых уровнемерах реализуется метод, основанный на использовании эффекта отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела двух сред с различными акустическими сопротивлениями.

В уровнемерах, называемых акустическими, используется метод локаций уровня жидкости через газовую среду. Достоинством этого метода является то, что акустическая энергия, посланная в объект для измерения уровня жидкости, распространяется по газовой среде. Это обеспечивает универсальность по отношению к различным жидкостям, уровень которых необходимо измерить, а также высокую надежность первичных преобразователей, не контактирующих с жидкостью.

В уровнемерах, называемых ультразвуковыми, используется метод, основанный на отражении ультразвуковых колебаний от границы раздела сред со стороны жидкости.

В зависимости от используемого параметра звуковой волны для измерения уровня жидкости различают частотный, фазовый и импульсный способы измерения уровня, а также некоторые их комбинации, такие, как импульсно-частотный, и др. Каждый из указанных способов, обладая общим для акустического (ультразвукового) метода измерения достоинствами, имеет свои преимущества и недостатки.

Акустические уровнемеры широко применяют для дистанционного измерения уровня жидкостей в различных объектах в химической, бумажной, пищевой и других отраслях промышленности. Уровнемеры этого типа могут быть использованы для измерения уровня различных жидкостей (однородных и неоднородных, вязких, агрессивных, кристаллизующихся, выпадающих в осадок), находящихся под давлением до и имеющих температуру от 5 до 80° С. Акустические уровнемеры не могут быть использованы для измерения уровня жидкостей, находящихся под высоким избыточным и вакуумметрическим давлением. Если жидкость, уровень которой необходимо измерять, будет находиться под вакуумметрическим давлением до то акустические уровнемеры могут быть использованы.

Ультразвуковые уровнемеры могут быть использованы для измерения уровня только однородных жидкостей и широкого распространения в промышленности не получили. Однако ультразвуковые уровнемеры позволяют измерять уровень однородных жидкостей, находящихся под высоким избыточным давлением.

Акустический уровнемер ЭХО-1. Уровнемер ЭХО-1, разработанный НИИтеплоприбором, предназначен для измерения уровня различных жидкостей на основе метода акустической импульсной лакацип границы раздела сред со стороны газа [83]. Мерой уровня жидкости является время распространения ультразвуковых колебаний от источника излучения (акустического

преобразователя) до плоскости границы раздела сред и обратно до приемника.

Схема акустического уровнемера представлена на рис. 19-6-1. В соответствии с принятыми на этой схеме обозначениями время распространения ультразвуковых колебаний определяется-выражением

где высота газового столба; расстояние от источника излучения до нулевого уровня; -высота уровня жидкости; а — скорость распространения звука в газовой среде.

Рис. 19-6-1. Схема акустического уровнемера

В акустическом уровнемере генератор 9 вырабатывает электрические импульсы с определенной частотой повторения, преобразуемые в ультразвуковые при помощи акустического преобразователя 1, установленного на крышке резервуара. Распространяясь вдоль акустического тракта, ультразвуковые импульсы отражаются от плоскости границы раздела сред и попадают на тот же преобразователь 1. Отраженные ультразвуковые импульсы после обратного преобразования в электрические усиливаются, формируются усилителем-формирователем 2 и подаются на устройство измерения времени запаздывания отраженного сигнала — триггер 3.

Формирование унифицированного выходного сигнала постоянного тока осуществляется при помощи компенсационного преобразователя, основанного на принципе статического регулятора, в состав которого входит устройство сравнения 4, усилительно-преобразующее устройство и элемент обратной связи — блок преобразования напряжения во временной интервал 6.

Формирование выходного сигнала осуществляется путем автоматического слежения блоком 6 за длительностью импульсов с триггера. Прямоугольные импульсы с триггера и из цепи обратной связи компенсационного преобразователя (блока 6) подаются на

устройство сравнения 4. рели длительность импульса с триггера больше (или меньше) импульса из цепи обратной связи, то на выходе блока 4 появляется сигнал небаланса, который при помощи усилительно-преобразующего устройства 5 повышает (или уменьшает) значение выходного сигнала. Это происходит до тех пор, пока сигнал небаланса не уменьшится до нуля. Слежение происходит именно за длительностью импульсов, поэтому амплитуда и частота повторения их не влияют на значение выходного сигнала. На показаниях уровнемера не сказывается также изменение в широком диапазоне нагрузки преобразователя.

Для уменьшения влияния изменения температуры газа на показания прибора (скорость распространения звука в газовой среде зависит от температуры) уровнемер содержит блок температурной компенсации 10, который включает в себя термометр сопротивления, расположенный внутри акустического преобразователя.

В схеме уровнемера предусмотрено помехозащитное устройство 7, исключающее влияние на показания прибора различного рода помех на входе усилителя 2.

Для проверки работоспособности электрической схемы уровнемера используется блок контроля 8. Основные функциональные узлы электрической схемы прибора выполнены на основе унифицированных интегральных схем.

Ультразвуковой уровнемер. В рассматриваемом ультразвуковом уровнемере используется импульсный способ измерения уровня по отражению ультразвуковых колебаний от границы раздела сред со стороны жидкости. Мерой уровня жидкости в этом случае является также время прохождения ультразвуковых колебаний от пьезометрического преобразователя (излучателя) до плоскости границы раздела сред (жидкость — газ) и обратно до приемника. Время прохождения ультразвуковых колебаний определяется выражением

где а — скорость распространения звука в жидкости.

Пауза между двумя последовательными посылаемыми импульсами определяется выражением

Схема ультразвукового уровнемера приведена на рис. 19-6-2. Уровнемер состоит из пьезометрического преобразователя 1, электронного блока 7 и вторичного прибора 5. Электронный блок включает в себя генератор 6, задающий частоту повторения импульсов; генератор импульсов 2, посылаемых в жидкость, уровень которой измеряется; приемного устройства — усилителя схемы

измерения времени 4. Генератор, задающий частоту повторения импульсов, управляет работой генератора импульсов и схемой измерения времени. Генератор 2 вырабатывает электрические импульсы с определенной частотой повторения, которые преобразуются в ультразвуковые при помощи пьезометрического преобразователя, установленного с внешней стороны дна резервуара. Распространяясь в жидкой среде, ультразвуковые импульсы отражаются от плоскости границы раздела жидкость — газ и поступают на тот же пьезометрический преобразователь. Отраженные импульсы после обратного преобразования в электрические усиливаются и формируются усилителем 3 и подаются на схему измерения времени. Выходным сигналом измерительной схемы являются постоянное напряжение, которое поступает на вход вторичного прибора 5. В качестве вторичного прибора может быть использован автоматический потенциометр.

Рис. 19-6-2. Схема ультразвукового уровнемера.

Предел допускаемой основной погрешности ультразвукового уровнемера не превышает 2,5% диапазона измерения уровня жидкости,

Ультразвук - это колебания с частотой находящейся за пределами слышимости человека. Под ультразвуком обычно понимают колебания с частотой выше 20 кГц. На самомделе, применение ультразвуковых колебания в различных устройствах довольно молодо, по сравнению с тем, когда стало известно о существовании таких колебаний. Использования ультразвука очень распространено и пр

именяется во многих устройствах: узи, дальномер, эхолот, резка металла и др. Этот список можно продолжать очень долго, потому что он применяется во многих физических и технологическихметодах.Также ему нашлось применение и при измерениях уровня жидкости в емкости.

Принцип действия уровнемера основан на измерении времени прохождения волной расстояния от датчика и до уровня жидкости. Именно на границе жидкость-газ или газ-сыпучие материалы происходит отражение волны. Для излучения колебаний и приема их применяется, как правило, одни датчик. Расстояниерассчитывается довольно просто, достаточно умножить время прохождения колебания на скорость распространения колебаний в среде. Чаще всего средой распространения ультразвукового импульса является воздух. Скорость распространения колебаний в воздухе равна 331 м/с. Однако нужно учитывать, что это скорость при 0 градусов Цельсия, а при повышении температуры следует учитывать поправку в 0.17% на каждый градус. Именно сэтой целью в готовое устройство встраивают температурные датчики.

На самом деле измерением уровня жидкости не ограничивается применение уровнемеров. Их можно использовать для определения различных характеристик: уровня, плотности, объема, массы жидкости.

Как правило современные ультразвуковые уровнемеры обладают следующими характеристиками:

1) бесконтактное измерение уровня;
2) температурнаякомпенсация за счет встроенного температурного датчика;
Выпускаются мобильные и стационарные уровнемеры. Обратите внимание на ультразвуковые уровнемеры тут. Мобильные - предназначены для оперативного контроля уровня в различных резервуарах. Стационарные используются для постоянного контроля и учета характеристик.

Ультразвуковые уровнемеры VEGASON
Бесконтактное измерение посредством ультразвука
Принцип измерения Звуковой преобразователь посылает короткие ультразвуковые импульсы в диапазоне от 10 до 70 кГц и принимает их в виде эхосигналов, отраженных от поверхности измеряемого продукта. Импульсы распространяются со скоростью звука. Время от передачи до приема сигнала пропорционально уровню продукта в емкости. Надежный выбор эхосигнала уровня из множества отраженных сигналов обеспечивается с помощьютехнологии обработки сигнала ECHOFOX. Настройка с заполнением или опорожнением емкости не требуется.

Применение на жидкостях
Для измерения уровня жидкостей применяются ультразвуковые датчики с частотой в диапазоне от 30 до 70 кГц. Датчики работают независимо от свойств среды. Их применение особенно актуально в сфере водоснабжения и канализации, а так же для измерения слабых кислот и щелочей. Датчики могутприменяться во взрывоопасных зонах.

Применение на сыпучих продуктах
Для измерения уровня сыпучих продуктов применяются ультразвуковые датчики с частотой в диапазоне от 18 до 30 кГц. Низкочастотный сигнал заметно лучше проникает через пыльную атмосферу. Датчики могут применяться в зонах, опасных по воспламенению пыли.

VEGASON 63
Применение
Жидкости и сыпучие продукты
в любойотрасли
Жидкости и сыпучие продукты
в любой отрасли
Жидкости и сыпучие продукты
в любой отрасли
Диапазон измерения
Жидкость: 0,25 . 5 м
Сыпучий продукт: 0,25 . 2 м
Жидкость: 0,4 . 8 м
Сыпучий продукт: 0,4 . 3,5 м
Жидкость: 0,6 . 15 м
Сыпучий продукт: 0,6 . 7 м
Присоединение
Резьба от G1½А из PVDF
Резьба от G2 А из PVDF
Накидной.

работы помпы. В основе работы лежат известные физические принципы:

различная плотность сред, отражение от поверхности, разность

Для ведения технологических процессов большое значение имеет контроль

за уровнем жидкостей и твердых сыпучих материалов в производственных

аппаратах. Кроме того, зная площадь любой емкости, по величине уровня

можно определить количество вещества в ней. Часто по условиям

технологического процесса нет необходимости в измерении уровня по всей

высоте аппарата. В таких случаях применяют узкопредельные, но более

точные уровнемеры. Особую группу составляют уровнемеры, используемые

только для сигнализации предельных значений уровня.

Для из мерения уровня жидкости применяют поплавковые, буйковые,

гидростатические, ультразвуковые и акустические приборы, для измерения

уровня жидкости и твердых сыпучих материалов — ем костные и

В поплавковых уровнемерах имеется плавающий на поверхности

жидкости поплавок, в результате чего измеряемый уровень преобразуется в

перемещение поплавка. В таких приборах используется легкий поплавок,

изготовленный из коррозионно-стойкого материала. Показывающее

устройство прибора соединено с поплавком тросом или с помощью рычагов.

Поплавковыми уровнемерами можно измерять уровень жидкости в открытых

В буйковых уровнемерах применяется неподвижный погруженный в

жидкость буек. Принцип действия буйковых уровнемеров основан на то м,

что на погруженный буек действует со стороны жидкости выталкивающая

сила. По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной

буйком. Количество вытесненной жидкости зависит от глубины погружения

буйка, т. е. от уровня в емкости. Т аки м образом, в буйковых уровнемерах

измеряемый уровень преобразуется в пропорциональную ему

выталкивающую силу. Поэтому зависимость выталкивающей силы от

измеряемого уровня линейная. В буйковых уровнемерах буек передает

усилие на рычаг промежуточного преобразователя. Выходной сигнал первого

уровнемера — унифицированный пнев матический, второго —

унифицированный электрический сигнал (постоянный ток).

Принцип действия буйковых уровнемеров позволяет в широких пределах

изменять их диапазон измерения. Это достигается как заменой буйка, так и

изменением передаточного отношения рычажного механизма

Гидростатический способ измерения уровня основан на том, что в

жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное

глубине, т. е. расстоянию от поверхности жидкости. Поэтому для измерения

уровня гидростатическим способом могут быть использованы приборы для

измерения давления или перепада давлений. В качестве таких приборов

При включении дифманометра перепад давлений на нем будет равен

гидростатическому давлению жидкости, которое пропорционально

При измерении уровня агрессивных жидкостей дифманометр защищается

разделительными сосудами или мембранными разделителями, что позволяет

заполнить его камеры и трубки неагрессивной жидкостью.

При измерении уровня суспензий и шламов, осадки которых могут

забивать импульсные трубки дифманометров, их непрерывно продувают

сжатым воздухом. Импульсные трубки все время заполнены продуваемым

воздухом. При небольшом расходе воздуха его давление в минусовой камере

оказывается равным давлению над жидкостью в емкости, а в плюсовой —

давлению в жидкости. Поэтому перепад давлений в дифманометре будет

равен гидростатическому давлению жидкости и, следовательно,

Работа таких уровнемеров основана на различии диэлектрической

проницаемости жидкостей и воздуха. Простейший первичный

преобразователь ем костного прибора представляет собой электрод

(металлический стержень или провод), расположенный в вертикальной

металлической трубке. Стержень вместе с трубой образуют конденсатор.

Емкость такого конденсатора зависит от уровня жидкости, так как при его

изменении от нуля до максимума диэлектрическая проницаемость будет

изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической

Емкостные уровнемеры могут измерять уровень не только жидкостей, но и

Большое распространение получили емкостные сигнализаторы уровня. Для

повышения чувствительности их электроды устанавливают в горизонт альном

Такие уровнемеры применяют для измерения уровня жидкостей и сыпучих

материалов в закрытых емкостях. Их действие основано на поглощении у-

В радиоизотопном уровнемере источник и приемник излучения

подвешены на стальных лентах , на которых они могут перемещаться в

трубах по всей высоте бака . Ленты намотаны на барабан, приводимый в

Если измерительная система (источник и приемник у-лучей) расположена

выше уровня измеряемой среды, поглощение излучения слабое и от

приемника по кабелю на блок управления будет приходить сильный сигнал.

По этому сигналу электродвигат ель получит команду на спуск

измерительной системы. При снижении ее ниже уровня среды поглощение

Y-лучей резко увеличится, сигнал па выходе приемника уменьшится, и

электродвигатель начнет поднимать измерительную систему.

Таким образом, положение измерительной системы будет отслеживать

уровень в ем кости (точнее, она будет находиться в непрерывном колебании

около измеряемого уровня). Эт о положение в виде угла поворота ролика

преобразуется измерительным устройством в унифицированный сигнал —

Действие уровнемеров этого типа основано на измерении врем ени

прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности жидкости

и обратно. При приеме отраженного импульса излучатель становится

датчиком. Если излучатель расположен над жидкостью, уровнемер

называется акустическим; если внутри жидкости — ультразвуковым. В

первом случае измеряемое время будет тем больше, чем ниже уровень

Электронный блок служит для формирования излучаемых ультразвуковых

импульсов, усиления отраженных импульсов, измерения времени

прохождения им пу льсом двойного пути (в воздухе или жидкости) и

преобразования этого времени в унифицированный электрический сигн

Указатель уровня топлива в баке автомобиля (рисунок 1).

электромагнитный, логометрического типа. Прибор состоит из датчиков,

установленных в топливных баках, и прием ника типа 13.3806,

расположенного на щитке прибора. Датчик указателя пред ставляет собой

реостат, изменяющий сопротивление в зависимости от уровня топлива в

баке, а приемник — электро магнитный лагометр с неподвижными

катушками и подвижным постоянным магнитом, связанным со стрелкой.

1- реостат; 2-постоянный магнит; 3,5-7 – катушки; 4 – стрелка;

8 – предохранитель; 9 – выключатель зажигания; 10 – аккумулятор; 11 –

Принцип действия . При изменении уровня топлив а, поплавок 12 изменяет

реостата 1. Так как вся цепь, после включения зажигания 9, становится

замкнутой, то по ней начинает протекать ток – от + аккумулятора 10, через

соответственно происходит изменение сопротивления реостата 1, что

приводит к изменению силы тока во всей цепи. Так как изменяющийся ток

также протекает через катушки, то происходит изменение магнитного

потока, создаваемого катушками, и соответственно происходят изм енения

показаний стрелки 1. Постоянный магнит 2 служит для установки стрелки 1

Использование средств неразрушающего контроля для измерения уровня

жидкости или определения наличия/отсутствия ж идкости в емкостях и

Как мы уже говорили выше, существует много способов измерения уровня

жидкости, самым простым из которых является использование щупа или

индикаторного поплавка. Однако, в некоторых случаях эти способы

использовать нельзя, например, при измерении уровня жидкости в

герметичных емкостях, которые не могут быть открыты, или их содержимое

не может быть подвержено воздействию воздуха. Кроме этого, иногда

возникает необходимость быстрого автоматического измерения уровня

жидкости в большом количестве емкостей в процессе из наполнения. В

подобных случаях оптимальным решением часто является измерение уровня

Некоторые характерные случаи использования ультразвукового

Поточный контроль уровня жидкости в различных автомобильных узлах,

таких как баки для горючего, коробки передач, поддоны картеров и

дифференциалы. В данном случае необходимы быстрые и надежные

измерения средствами неразрушающего контроля. При использовании

ультразвуковых измерительных приборов информация отображается м енее,

чем через секунду после проведения измерения. Кроме этого, результаты

измерений могут быть сохранены на неопределенно долгий срок.

Измерение уровня едких и химически активных жидкостей при контроле

процессов химического обогащения. В этих случаях ем кости не могут быть

вскрыты по причинам безопасности, а свойства химических препаратов не

позволяют установить внутренний поплавковый уровнемер.

Обнаружение в трубопроводах стоячих жидкостей. Некоторые

технологические операции требуют проверки наличия или отсутствия

жидкостей в трубопроводах. В частности, такие измерения проводятся при

необходимости открыть или разрезать трубопровод в процессе его

Из мерение в нефтеперерабатывающих системах толщины слоя жидких

нефтепродуктов, находящегося поверх слоя воды. В принципе,

ультразвуковыми средствами можно измерить толщину одиночного слоя

любой жидкости, находящейся поверх другой жидкости, если акустический

В целом, измерения уровня жидкости разделяются на два типа: в первом

случае требуется измерение реального уровня жидкости (по глубине или по

высоте), во втором случае необходимо только определить

наличие/отсутствие жидкости в выбранной точке. Отдельное описание

оборудования и порядка проведения измерений этих двух типов приведены

В целом уровень жидкости (до 500 мм) измеряется обычным эхо-

импульсным методом, с использованием модифицированных версий

стандартных ультразвуковых толщиномеров. Выбор преобразователей для

проведения измерений уровня жидкости зависит от конкретных условий

контроля. Обычно используются преобразователи с частотой 1 МГц или 2,25

Для измерения траекторий прохождения ультразвука в жидкости,

имеющих очень большую протяженность, могут быть использованы

дефектоскопы EPOCH 4В, EPOCH 4, EPOCH III, и EPOCH IIIB

(протяженность траектории, измеряемая дефектоскопом E POCH III, может

Для большинства жидкостей точность измерения составляет ± 2,5 мм.

Для измерения уровня жидкости, находящейся в емкости, преобразователь

приставляется ко дну емкости (при этом используется подходящая

контактная жидкость). Электрический сигнал, поступающий с прибора на

преобразователь, вызывает короткий ультразвуковой импульс, который

проникает через стенку ем кости и попадает в жидкость. Проходя через

жидкость, импульс достиг ает поверхности жидкости, отражается от нее и

Эхосигнал от поверхности жидкости прецизионно отсчитывается от

временной точки электронного нуля, установка которой позволяет вычесть от

общего времени время прохождения ультразвука через стенку емкости.

Время прохождения ул ьтразвукового сигнала до отражающей поверхности и

обратно преобразуется в значение уровня жидкости по следующей формуле:

- скорость з вука в жидкости (которая должна быть установлена с

использованием средств компенсации изм енений скорости ультразвука

- время прохождения ультразвука до отражающей поверхности и обратно

Уровень жидкости отображается на цифровом жидкокристаллическом

Для наиболее эффективного использования этого способа измерения

уровня жидкости необходимо учитывать следующие факторы:

Тип и толщина материала стенок емкости являются первым фактором,

который долж ен учитываться при оценке конкретных условий измерения

ультразвуковыми средствами. При этом необходимо учитыват ь свойства и

диапазон уровня жидкости. Стальные емкости со стенками большой

толщины могут серьезно ограничить минимальный изм еряемый уровень

жидкости из-за эфф екта "отзвука". Пластмассовые ем кости, в свою очередь,

Звук с частотой превышающий диапазон восприятия человеком (обычно 20КГц), называется ультразвуком. В ультразвуковом неразрушающем контроле и толщинометрии используются звуковые волны в диапазоне от 100КГц до 50МГц.

Целью разработки является проектирование ультразвукового датчика для определения уровня жидкости в закрытых емкостях, контейнерах, баках. Диапазон измеряемых уровней : 0. 1200 мм. Пределы допускаемой погрешности измерений: 1 %.

2. Назначение и область применения разработанного прибора

Измерение уровня жидкости в контейнере или трубе с использованием неинвазивного метода (непосредственное измерение уровня), а также определение или отсутствия жидкости в герметичной емкости.

Измерение уровня едких или химически активных жидкостей в процессе химического обогащения, когда контейнеры нельзя открывать исходя из соображений безопасности, а характер химиката или процедуры не позволяет использовать внутренний уровнемер.

Измерение слоя нефти, располагающегося на поверхности воды в нефтяных технологических установках. В принципе, можно измерять любой слой жидкости, на поверхности другой жидкости, если они обладают различным акустическим сопротивлением.

3. Технические характеристики

Диапазон измерения 0…1200 мм

Разрешение 3 мм

Мертвая зона 30см от основания сенсора

Частота импульсов 8 имп/сек

Монтажная резьба G2 или NPT 2

Температура среды -40…+80

Рабочее напряжение 18…32 В

Максимальный ток 200мА

Условия окружающей среды

Температура хранения -20… +60

Отн. влажность воздуха 80 %

Рабочая температура -20… +60

Степень защиты корпус IP 65

Степень защиты корпус сенсора IP 67

Конструкція

Размеры см. раздел

Вес 1 кг

Соприкасающиеся со средой материалы

Корпус электронного блока Поликарбонат +20 % стекловолокно

Материал преобразователя ПВДФ/РОМ

Защитная лицевая пленка Полиэстер

Излучение помех Соответствует основной норме En 50081.1

Помехоустойчивость соответствует основной норме

EN 50082.2. Необходимо учитывать,

что помехи вызванные кабелем 40-80 МГц

могут вызвать падение выходного тока

Безопасность Согласно правилам по безопасности для

измерительных инструментов для регулирующей и

лабораторной техники NF EN 61010-1.

Для сравнения приведем технические характеристики ультразвукового уровнемера МТМ 900 отечественного производства:

Диапазон измерения 0…4000 мм

Выходные сигналы 0-5 мА, 0-20 мА, 4-20 мА.

Частота импульсов 8 имп/сек

Температура среды -40…+80

Напряжение питания DC 24 B + 10% - 15 %

Потребляемая мощность, не более 6 Вт

Допустимый ток коммутации реле, не более 3 А

Условия окружающей среды

Температура хранения -30… +50

Отн. влажность воздуха 80 %

Рабочая температура -30… +50

Степень защиты корпус IP 54

Степень защиты корпус сенсора IP 67

Конструкція

Вес 3 кг

4. Описание и обоснование выбранной конструкции

Бесконтактный датчик уровня состоит из ультразвукового сенсора и электронного модуля с преобразователем сигнала и индикацией. Датчик устанавливается вертикально к среде измерения. Минимальное расстояние между сенсором и измеряемой поверхностью должно составлять минимум 30 см. Ультразвуковой

датчик уровня производит 8 импульсов в секунду, котрые посылаются с нижней поверхности прибора. Когда импульсы покидают прибор, они расширяются под углом до тех пор пока не соприкоснутся с измеряемой поверхностью. Ультразвуковой датчик уровня может быть установлен на крышку резервуара при помощи стандартного фитинга с резьбовым соединением G 2” (NPT 2) или при помощи любого аналогичного.

Сенсор генерирует и излучает 8 ультразвуковых волн в секунду. При их распространении в воздухе они лишь немного ослабевают. При попадании на поверхность жидкости или твердую поверхность они отражаются и принимаются обратно сенсором. В зависимости от времени с момента излучения до момента приема сенсором обратного луча электроника производит расчет между основанием сенсора и средой, используя при этом прогрессивные методы обработки сигнала, включая температурную компенсацию и подавление нежелательных помех, возникающих на пути до измеряемой поверхности для достижения правильного и точного измерения.

5. Расчёты которые подтверждают работоспособность конструкции

5.1. Расчеты основных конструктивных элементов

Упругие волны характеризуются скоростью распространения С, длиной волны и частотой . При этом под длинной волны понимается расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися одинаковым образом. Число волн проходящих через данную точку пространства в каждую секунду, определяет частоту ультразвука. Длина волны связана со скоростью ее распространения и частотой колебаний соотношением

Произведем расчеты для волн которые распространяются в трансформаторном масле. Скорость волны в этой среде С=1400мм/с, а частота f=8 имп/сек.

Определим частоту f, на которой ведётся контроль:

где λоц оценочная длина волны.

- скорость волны в топливе.

Рассмотрим процесс прохождения короткого импульса ультразвуковых колебаний в среде. Пьезоэлемент в виде круглого диска диаметром 2a служит одновременно излучателем и приемником ультразвука. При излучении зондирующего импульса в среде возникает ультразвуковое поле излучения, которое имеет вполне определенные пространственные границы и распределение звукового давления внутри пучка. Вблизи от излучателя на участке, называемом ближней зоной, ультразвуковой пучок почти не расходится и имеет цилиндрическую форму. Протяженность r этой зоны равна

где f Частота колебания волны ультразвука;

С Скорость распространения ультразвуковой волны.

Потеря энергии dB эхосигнала в среде 1 при отражении от акустической границы со средой 2:

Например: потеря dB при распространении сигнала из воды (Z=1.48) в сталь (Z=45.41) составляет -9.13dB; Это так же справедливо и при прохождении сигнала из стали в воду.

Низшая (основная) собственная частота колеблющейся по толщине свободной пластины соответствует полуволновой толщине , т.е. равной половине длины волны в ее материале:

Из этой формулы видно что чем выше собственная частота, тем тоньше должна быть пластина.

В нашем случае пластина из цирконата-титаната свинца (ЦТС) скорость =3.3 мм/мкс, поэтому для работы на частоте 2 МГц пластина должна иметь толщину:

При колебаниях с частотой, большей основной собственной частоты, в пьезоэлементе могут возбудится свободные колебания на высших гармониках, кратных основной частоте.

Плотность и вычисляемое через нее волновое сопротивление

используют в расчетах по согласованию пьезопластины со средой, куда излучается УЗ.

Акустическую добротность (она определяет длительность колебаний после возбуждения) пластины вычисляют по формуле:

где и - волновые сопротивления сред, контактирующих с пластиной без промежуточных слоев.

Для УЗ контроля наиболее важен Коэффициент двойного преобразования

Ультразвуковые уровнемеры позволяют измерить уровень в отсутствие контакта с измеряемой средой и в труднодоступных местах. В ультразвуковых уровнемерах обычно используется принцип отражения звуковых волн от границы раздела жидкость — газ (воздух). На рис. 6. показана блок — схема ультразвукового уровнемера, работающего на отражении звука от границы сред. Прибор состоит из электронного блока… Читать ещё >

Ультразвуковые уровнемеры и акустические ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

На рис. 6. показана блок — схема ультразвукового уровнемера, работающего на отражении звука от границы сред. Прибор состоит из электронного блока, пьезоэлектрического излучателя (преобразователя) и вторичного прибора (автоматического потенциометра).

Электронный блок ЭБ состоит из генератора 1, генератора задающего частоту повторения импульсов 2, посылаемых в измеряемую среду, приемного усилителя 4 и измерителя времени 5 генератор 1 управляет работой генератора 2 и схемой измерения времени. Частота импульсов 300 Гц. Генератор 2 формирует короткие импульсы для возбуждения пьезоэлектрического излучателя 3. Электрический импульс, преобразованный в ультразвуковой в пьезоэлектрическом излучателе, распространяется в жидкой среде, отражается от границы раздела жидкость — воздух, возвращается обратно, воздействуя спустя некоторое время на тот же излучатель и преобразуется в электрический. Оба импульса, посланный и отраженный, разделенные во времени, поступают на усилитель.

Время ф между моментом посылки импульса и моментом поступления отраженного импульса является функцией высоты измеряемого уровня, т. е.

ф = 2Н/с где Н — высота измеряемого уровня;

с — скорость распространения ультразвука в измеряемой среде; при любой температуре воды скорость распространения ультразвука с = 1557 — 0.0245(74 — t o ) 2 .

Постоянное напряжение, пропорциональное времени запаздывания отраженного сигнала (уровню), получаемое в измерителе времени, подается на вторичный прибор 6.

Читайте также: